厚煤层分层充填开采沿空留巷及端头顶板控制技术

李 春

（山西高河能源有限公司，山西 长治 046000）

充填开采技术[1-2]能够提高煤炭资源回收率，保护生态环境，是实现煤矿绿色开采的重要途径之一。在厚煤层分层充填开采过程中，沿空留巷有利于进一步提高煤炭资源回收率，也是一种新型的无煤柱开采技术[3-5]，既有充填开采控制地表变形的优点，又能降低巷道掘进工程量，有利于充填开采技术的推广实施。

1 工程概况

1.1 地质情况

高河能源E1302 充填面位于村庄保护煤柱内，面长230 m，推进长度430 m；回采3 号煤层，煤厚6.2～7.5 m，平均6.38 m；工作面内煤层倾角3°～15°，平均倾角8°。3 号煤层直接顶为泥岩和砂质泥岩-细粉砂岩，平均厚度分别为2.08 m和7.35m；基本顶为细粒砂岩-粉砂岩，平均厚度12.98 m；直接底为泥岩-粉砂岩，平均厚3.02 m；基本底为砂质泥岩-细粒砂岩，平均厚8.68 m。工作面地面煤层埋藏深度为408.29～437.6 m。探测显示，E1302 充填面未发现陷落柱和断层，经抽采后该工作面瓦斯含量为6.171 6 m3/t，无煤与瓦斯突出危险性，煤尘具有爆炸性，属不易自燃煤层。

1.2 巷道布置

E1302 充填工作面分为2 个分层，采用下行开采，先采顶分层，后采底分层。顶分层开采时采用E1302 工作面原有的4 条回采巷道系统，顶分层开采后两侧顺槽沿空留巷为底分层服务。

E1302 顶分层充填工作面开切眼离E1302 第2停采线20 m，沿煤层底板掘进，开切眼处于底分层位置，从回采开始按照5°～6°的坡度逐渐抬升，约30 m 后过渡至顶分层正常层位。工作面两端头也按照5°～6°的坡度逐渐抬升，抬升过渡段距离为30 m 左右。E1302 底分层充填面开切眼在E1302顶分层面中部过渡到正常层位后沿煤层底板掘进，其位于顶分层开切眼向外30 m 位置，停采线早停5 m，底分层充填面推进长度395 m。工作面巷道布置图如图1。

图1 工作面巷道布置图

2 沿空留巷工艺

2.1 待充区隔离

（1）隔离材料

充填开采工作面在充填前需在架后建立密闭待充隔离区，采用专用充填支架配合高强隔离布和彩条布以及草毡等完成待充区隔离密闭。工作面端头采用专用端头支架，防止充填过程中充填体侧向鼓包。

（2）支架与顶板间隔离

首先降下充填支架上隔离板，在上隔离板上安装柔性条，将隔离布的一端（不小于500 mm）铺在上隔离板上，然后在隔离布上面铺上彩条布和草毡，最后升起上隔离板，用草毡密封好支架与顶板之间的空隙。顶板出现高顶区时，在待充填区打设好临时支护后，收回支架尾梁，在支架与顶板之间的高顶区使用道木打设隔离墙；然后在隔离墙外侧铺设一层隔离布和彩条布，隔离布外侧铺一层草毡，顶板、支架与隔离墙之间的间隙用草毡封堵。完成后，打出支架尾梁，回撤临时支护，然后按照上述的隔离方法进行隔离。

（3）支架与底板间隔离

在紧贴支架底座后部靠近下隔离板下方的位置，平行于工作面挖一条宽、深均不小于100 mm的地沟，把草毡、彩条布和隔离布的一端（不小于500 mm）埋入挖好地沟内，草毡在最下面，彩条布在中间，落下下隔离板压紧隔离布。

（4）隔离布与隔离布间隔离

隔离布与隔离布之间使用刷子将胶结料涂抹到隔离布上进行粘结，隔离布与隔离布之间搭接不小于1 m。隔离过程中，若相邻支架之间隔离板间隙大于200 mm，使用刹杆封堵后再进行隔离，保证相邻两支架之间隔离严密。

（5）端头侧向隔离

端头尾架在隔离时，先打出侧向千斤顶支撑好端头尾架，隔离布使用专用的隔离布，隔离布中间留有通风口，保证在隔离过程中隔离板门始终保持打开状态。在通过横贯或超宽巷道时，由于端头尾架侧支护千斤顶没有支撑点，采用搭设单体柱戗柱的方法支撑端头尾架进行隔离。隔离区宽度大于端头尾架隔离宽度时，采用钢性模板配合隔离，根据实际情况选择不同宽度的钢性模板，将钢性模板放置在端头尾架与中间架的空档区，两端伸出不得小于500 mm。在钢性模板外侧垂直顶板打设密集单体柱，在钢性模板与中间架接触部位打设戗柱，支撑钢性模板。

2.2 端头隔离区充填

完成工作面待充区隔离后，作充填准备，按照充填作业流程从机头至机尾逐步完成架后充填作业。待充填体凝固后，进行工作面移架工作，端头架拉出后，充填体可支撑上方顶板，完成沿空留巷工作。

2.3 沿空留巷顶板补强支护

工作面沿空留巷顺槽超前支护长度维持在30 m，采用“一梁二柱”、单体柱+π 型梁棚支护方式，排距800 mm，胶带顺槽π 型梁长4.2 m，进风顺槽π 型梁长4.6 m。沿空留巷内在滞后工作面200 m范围内，采用一梁（胶带顺槽沿空留巷使用4.2 mπ型梁，进风顺槽沿空留巷使用4.6 mπ 型梁）三柱，即在超前支护的中部增加一根单体柱，单体柱π 型梁棚棚距800 mm。工作面沿空留巷及顶板补强支护示意图如图2。

图2 工作面沿空留巷及顶板补强支护示意图

3 端头围岩控制

E1302顶分层工作面的开切眼沿煤层底板掘进，在回采初期，需按5°～6°的坡度逐渐抬升至设计层位，全工作面顶板形成三角煤区域；并且在正常回采期间，工作面两端30 m 范围将一直存在三角煤区域，如图3。虽然充填开采工作面矿压显现较弱，但由于3 号煤节理裂隙发育，且充填采煤工作面比普通垮落法开采工作面控顶宽，顶煤反复支撑作用次数多，三角煤区域容易破碎冒顶，因此，需要加强对工作面初采和两端头三角煤区顶板管理。采取措施如下：

（1）加强顶板支护和煤壁维护。割煤后及时伸出支架前伸缩梁，保证顶板支护及时；并及时打开护帮板，支撑工作面煤壁，防止煤壁片帮。

（2）顶板铺网，防止破碎顶煤冒落。自开切眼起35 m 范围内全工作面铺双层金属网；35 m 后，工作面中部铺一层金属网，两端过渡区仍然铺双层网。

（3）初采期间采取小步距充填。E1302 充填采煤工作面初采期间充填步距为两刀，1.6 m。

（4）加强两端三角区的顶板管理。在两端顶板铺双层金属网的基础之上，在端头尾4 组支架范围内平行工作面交替铺设长3.2 m 的板梁，每刀一趟，每趟8 根，要求每根板梁两端横伸出支架两侧不得小于0.5 m。随着工作面推进，在大板处于支架尾梁位置时进行回撤。

（5）加强现场顶板管理。安排专人对顶板下沉量、支护质量等进行观测，每班不少于两次，并根据实测结果及时整改动态管理机制。

（6）制定局部顶煤冒落处置措施。

图3 顶分层充填工作面三角形顶煤区域分布示意图

4 应用效果

E1302 顶分层充填工作面自2020 年4 月初开始试生产，至2020 年6 月底已累计充填43 个循环，累计采煤108 刀，回采86.4 m，回采产量9.7 万t，沿空留巷长94 m。通过对沿空留巷段充填体压力进行观测可知，随着工作面推进，充填体逐步增载，在滞后工作面约50 m 时，充填体载荷趋于平稳。通过对沿空留巷顶板下沉量观测可知，在滞后工作面35 m 以内，巷道顶板下沉速度较快，达到最大下沉量的75%，之后顶板下沉速度逐渐减小，在滞后工作面60 m 以外，顶板下沉量逐步趋于平稳，最大下沉量达到45 mm。通过三角顶煤区的多项技术措施，有效控制了工作面初采期间和两端头顶板稳定，保证了工作面安全回采。